Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОУ ВПО
УФИМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЭКОНОМИКИ И СЕРВИСА
ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ СЕРВИСА
Кафедра специальной химической технологии
МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ, ОЧИСТКИ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Органическая химия и основы биохимии»
Уфа 2009
Составители: Х.К. Гаделева
Р.А. Зайнуллин
Р.В. Кунакова
УДК 54.058
Методы выделения, очистки и идентификации органических соединений: методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Органическая химия и основы биохимии» для студентов института техники и технологии сервиса./ Сост. Х.К. Гаделева, Р.А. Зайнуллин, Р.В. Кунакова; Уфимск. Гос. академия экономики и сервиса, Уфа, 2009, 41 с.
Данное методическое указание знакомит студентов с правилами техники безопасности, лабораторным оборудованием и основными приемами выделения, очистки и идентификации органических соединений.
Рецензент: канд. хим. наук, доц. кафедры специальной химической технологии Уфимской государственной академии экономики и сервиса И.Т. Фархиева
Ил.22. Библиогр.:9 назв
© Гаделева Х.К., Зайнуллин Р.А., Кунакова Р.В., 2009
© Уфимская государственная академия экономики и сервиса, 2009
.
Содержание
Стр.
|
Введение |
7 |
|
7 |
|
9 |
|
10 |
|
10 |
|
11 |
|
12 |
|
12 |
|
Лабораторная работа №1 Кристаллизация
|
13 |
|
Лабораторная работа №2 Определение температуры плавления |
16 |
|
Лабораторная работа №3 Возгонка (сублимация) |
18 |
|
Лабораторная работа №4 Простая перегонка |
19 |
|
Лабораторная работа№5 Перегонка в вакууме |
22 |
|
Лабораторная работа №6 Экстракция |
25 |
|
Лабораторная работа №7 Определение показателя преломления (рефрактометрия) |
27 |
|
Лабораторная работа №8 Хроматографические методы разделения и анализа органических веществ Тонкослойная хроматография Препаративное хроматографическое разделение на колонках смеси красителей |
32 39 40 |
|
Список литературы |
42 |
Введение
В программе подготовки квалифицированных инженеров и бакалавров специальностей 260204.65 «Технология бродильных производств и виноделие», 240202.65 «Химическая технология и оборудование отделочного производства», 280201.65 «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов», 280200.65 «Защита окружающей среды» важное место занимает обучение методам практической органической химии. Лабораторные работы по органической химии позволяют студентам: научиться планировать работу; соблюдать технику безопасности проведения работ; оценивать, анализировать результаты конкретной работы; проявить способность к наблюдениям; уметь обращаться с посудой, лабораторными принадлежностями, реактивами; производить различные химические операции (перемешивать, фильтровать, экстрагировать, перегонять, перекристаллизовывать и др.); подготовиться к выполнению самостоятельных исследовательских работ.
1. Правила работы в лаборатории органической химии
Приступая к работе в лаборатории органической химии, студент должен ознакомиться с перечисленными ниже правилами и усвоить меры оказания первой помощи при несчастных случаях.
Поскольку большинство органических соединений являются в той или иной степени воспламеняющимися, горючими или токсичными, никогда не следует пренебрегать мерами техники безопасности и необходимо неукосни тельно соблюдать следующие правила:
в лаборатории следует работать в халатах из натуральной ткани и застегивающихся спереди. При необходимости применять фартуки, предохра нительные очки. Нужно иметь также резиновые перчатки для работы с веществами, которые могут воздействовать на кожу;
для предупреждения и ликвидации несчастных случаев в лаборатории органической химии всегда наготове следующее: огнетушитель, кошма, сухой просеянный песок, аптечка первой помощи, промывные растворы для обра ботки ожогов, вызванных кислотами или щелочами. Каждый студент, приступающий к работе в лаборатории, должен знать местонахождение выше указанного и ознакомиться с инструкцией использования огнетушителей, обычно написанной на каждом из них;
соблюдать порядок, чистоту. Важно рационализировать рабочее место и не загромождать его ненужной посудой, приборами, одеждой, учебниками и т.д.;
нужно принять за правило: рационально использовать рабочее время, отведенное на лабораторно-практические занятия;
все записи необходимо вести в лабораторных журналах, а не на отдельных листочках, клочках бумаги;
в лаборатории запрещается курить, принимать пищу, пробовать на вкус реактивы, пить из химической посуды;
не разрешается приступать к выполнению работ без разрешения пре подавателя, а также в отсутствие преподавателя или лаборанта;
студенты должны знать основные свойства, применяемых в работе реактивов, степень их ядовитости, пожаро- и взрывоопасности;
нельзя самопроизвольно сливать реактивы друг с другом. При любых возникших у вас сомнениях, необходимо обратиться к преподавателю;
необходимо следить, чтобы на всех склянках с реактивами были над писи или этикетки с обозначением, что находится в склянке;
- нельзя выливать органические растворители или другие органические вещества в раковину. Для этого в вытяжных шкафах выставлены специальные склянки для слива кислот, щелочей и органических соединений. Отходы твер дых веществ не следует выбрасывать в корзины для мусора, для этого есть специаль ная банка, находящаяся в вытяжном шкафу;
- просыпавшиеся, пролившиеся реактивы, а также оставшиеся неиспользованными нельзя высыпать и сливать обратно в те же банки, где они хранились;
- нельзя оставлять открытыми банки и склянки с веществами;
- реактивы из склянок не рекомендуется брать металлическими шпате лями. Для этого необходимо использовать фарфоровый шпатель, фарфоровую ложку или пересыпать через воронку;
- при взвешивании сухих реактивов нельзя высыпать их прямо на чашку весов;
работу с огнеопасными растворителями необходимо организовать таким образом, чтобы исключить возможность их воспламенения;
не следует оставлять без надобности включенными свет, воду, электроприборы;
- нельзя работать с грязной посудой, а по окончании лабораторных работ необходимо ее вымыть;
во избежание несчастных случаев при нагревании жидкостей или твердых веществ в пробирках нельзя направлять их на себя или соседей, а при нагревании в колбах - заглядывать внутрь;
с органическими соединениями необходимо работать осторожно и аккуратно, избегая их попадания в глаза, на руки, одежду;
при работе с едкими и токсичными веществами следует надевать пер чатки, защитные очки и работать в вытяжном шкафу;
помните, что нельзя вакуумировать плоскодонные колбы, за исключением колбы Бунзена. Все приборы, находящиеся под вакуумом, должны находиться за защитным экраном;
нужно аккуратно обращаться с посудой, приборами и другим оборудованием. Ни в коем случае нельзя самостоятельно ремонтировать электроприборы, нужно сообщить обо всех неисправностях лаборанту или преподавателю;
запрещается переносить включенные приборы и ремонтировать оборудование находящееся под током;
запрещается вешать на штепсельные розетки, выключатели и электропровода различные вещи, плакаты; а также укреплять провода веревкой или проволокой;
в случае перерыва в подаче тока все электроприборы должны быть немедленно выключены;
если разбит ртутный термометр, необходимо немедленно поставить в известность преподавателя или лаборанта. Под их руководством нужно тщательно собрать разлитую ртуть, а место разлива залить раствором хлорного железа.
2.Работа с кислотами и щелочами
Запрещается работа с концентрированными кислотами и щелочами без защитных средств (очки, перчатки). При работе с дымящей азотной кислотой, олеумом, смесью кислот следует надевать также длинный резиновый фартук.
При работе с концентрированными щелочами и кислотами необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:
- все работы проводить в вытяжном шкафу или под местным вытяжным устройством;
- для переноса малых количеств следует использовать пипетки с резиновыми грушами; засасывать растворы в пипетки ртом запрещается.
- нейтрализацию проводить только после разбавления. Разбавление кислот, особенно серной, необходимо производить путем осторожного приливания кислоты тонкой струйкой по стеклянной палочке в холодную воду при непрерывном перемешивании. При сильном разогреве раствора процесс следует прекратить, жидкость охладить и только после этого можно добавлять следующую порцию кислоты. Приливать воду в кислоту запрещается;
- сосуды с концентрированными кислотами следует закрывать стеклянными или фарфоровыми пробками (плавиковой кислотой – полиэтиленовыми). Нельзя пользоваться корковыми и резиновыми пробками;
- при составлении смеси кислот следует приливать кислоту с большей плотностью к кислоте с меньшей плотностью;
- приготовление раствора щелочи следует производить в фарфоровой посуде с широким горлом.
- навеску щелочи следует небольшими порциями с помощью фарфоровых (полиэтиленовых) ложек опускать в сосуд, в который залита холодная вода в необходимом количестве, и жидкость непрерывно перемешивать фарфоровой (стеклянной) палочкой. Процесс растворения ведут так, чтобы не допустить перегрева. Для исключения разбрызгивания емкость сосуда должна быть в несколько раз больше объема приготавливаемого раствора;
- во время приготовления растворов твердые щелочи из сосудов следует брать фарфоровыми, стеклянными или пластмассовыми ложечками. При взятии навески необходимо использовать тонкостенные фарфоровые чашечки или полиэтиленовую пленку. Бумагой, тем более фильтровальной, пользоваться нельзя, т.к. щелочь ее разъедает, в крайнем случае применяют пергамент или кальку;
- сосуды с концентрированными едкими щелочами следует закрывать резиновыми, полиэтиленовыми (но не притертыми) пробками.
3. Работа с легковоспламеняющимися жидкостями (ЛВЖ)
При работе с ЛВЖ возможные источники воспламенения горючих паров (горящие спиртовки, включенные плитки и т.п.) должны быть удалены и исключена возможность образования статического электричества и искрения.
Нагревать и перегонять низкокипящие огнеопасные вещества (эфиры, спирты, ацетон и т.п.) следует в круглодонных колбах, изготовленных из тугоплавкого стекла, на банях, заполненных теплоносителем. Запрещается нагрев сосудов с низкокипящими огнеопасными жидкостями на открытом огне, а также непосредственно на электронагревательных приборах. Жидкости с более высокой температурой кипения нагревают на электронагревательных приборах закрытого типа – колбонагревателях.
Во избежание взрыва запрещается перегонять ЛВЖ досуха (в колбе должно оставаться не менее 10% первоначального объема жидкости).
При проливе ЛВЖ необходимо немедленно выключить все нагревательные приборы и место пролива засыпать песком. Загрязненный песок собирается деревянным совком, применение металлических совков запрещается.
Простые эфиры легко окисляются кислородом воздуха с образованием взрывоопасных органических перекисей. Воздействие света на простые эфиры ускоряет процесс образования перекисей. В связи с этим, тара с простыми эфирами должна быть защищена от воздействия света, тепла и закрыта так, чтобы исключить проникновение в нее воздуха. Для предупреждения образования перекисных соединений необходимо использовать стабилизаторы.
Приступая к работе с жидким простым эфиром, необходимо предварительно убедиться в отсутствии в нем перекиси сначала визуально по отсутствию в эфире осадка, а затем провести качественную реакцию по следующей методике: пробу эфира необходимо поместить в колбочку объемом на 25 мл и прилить1 мл свежеприготовленного 10%-го водного раствора йодида калия. Появление желтой окраски указывает на присутствие в эфире перекиси. Следует помнить, что эфир, содержащий более 0,005% перекиси, без предварительной очистки от перекисей использовать категорически запрещается.
Запрещается выливать ЛВЖ и продукты, их содержащие, в канализацию. Отработанные жидкости следует собирать в специальную тару с надписью «слив ЛВЖ».
4. Работа с металлическим натрием
Запрещается допускать контакт металлического натрия с водой, хлоросодержащими органическими соединениями и твердым диоксидом углерода. Работу с натрием необходимо проводить в защитных очках и резиновых перчатках, вдали от источников огня и влаги. Хранить металлический натрий следует под слоем обезвоженного керосина. Керосин с поверхности кусков натрия удаляют фильтровальной бумагой. Резать натрий необходимо на фильтровальной бумаге сухим и острым ножом. Загружать металлический натрий в реакционный сосуд следует только сухим пинцетом или тигельными щипцами. Категорически запрещается выбрасывать обрезки натрия в канализацию, в мусорное ведро. Отходы уничтожают путем полного растворения их небольшими порциями в этиловом спирте. Полученный раствор сливают в канализацию.
5. Меры оказания первой помощи
В лаборатории органической химии могут возникнуть случаи, требую щие оказания первой неотложной медицинской помощи.
При неосторожной работе со стеклом возможны порезы и ранения. При порезах необходимо удалить из раны осколки стекла и края раны дезинфици ровать 3 % спиртовым раствором йода. При ранениях необходимо защитить рану от заражения и остановить кровотечение. При сильном кровотечении на рану накладывают стерильный бинт и туго забинтовывают. Поврежденную часть тела приподнимают как можно выше и держат так до остановки крово течения. При ранениях необходимо обязательно обратиться к врачу.
При термических ожогах первой степени (покраснение кожи) необхо димо сделать примочку раствором этилового спирта и смазать мазью от ожо гов, имеющейся в аптечке. При ожогах второй (пузыри на коже) и третьей степени (глубокое обугливание тканей) надо наложить на обожженное место стерильную салфетку и обратиться к врачу.
При ожогах кислотами немедленно промойте обожженное место про точной водой и затем раствором бикарбоната натрия.
При ожогах едкими щелочами промойте обожженное место большим количеством воды и затем разбавленной уксусной кислотой.
При ожогах глаз кислотой или щелочью после оказания первой помощи пострадавшего надо отправить к врачу.
Во всех случаях отравления следует немедленно вызвать врача или дос тавить пострадавшего в больницу. При оказании первой помощи при отравле ниях необходимо давать воду или молоко; вызвать рвоту, давая концентрированный раствор питьевой соды или надавливая пальцем на корень языка. Надо помнить, что рвоту нельзя вызывать в случаях отравления аммиаком, бензо лом, фенолом, моющими средствами, жидкостями для химической чистки одежды, бензином, керосином, жидкостями для разбавления красок, скипида ром, сильными кислотами. Универсальное противоядие при отравлениях со стоит из одной части крепкого чая, одной части молока или порошка магнезии, двух частей активированного угля.
При потере сознания требуется уложить пострадавшего или помочь ему в сидячем положении опустить голову между коленями и глубоко дышать. Дайте понюхать нашатырный спирт. При потере сознания и отсутствии дыха ния (при ударе электрическим током или отравлении газом) проводят искус ственное дыхание. Для этого очищают рот пострадавшего, запрокидывают назад его голову и зажимают ему нос, далее вдувают воздух в легкие попеременно сжимая и отпуская грудную клетку до тех пор, пока не будет видно движения его грудной клетки. Повторяют эту процедуру 15-20 раз в минуту. Пострадавшего обязательно направляют к врачу.
6. Тушение пожара
Способ тушения пожара зависит от характера горящего объекта. При возникновении пожара необходимо действовать оперативно. Требуется быст ро выключить все электрические приборы, отключить вентиляцию, убрать в безопасное место легко воспламеняющиеся и горючие вещества.
Загорание деревянных конструкций или жидкостей, смешивающихся с водой необходимо тушить любыми огнетушителями, струей воды, песком, асбестовым или суконным одеялом.
При загорании жидкостей, не смешивающихся с водой, или электрооборудования – углекислотным или порошковым огнетушителями, песком, одеялом, начиная с периферии.
Горящий металлический натрий тушить необходимо порошковым огнетушителем, сухим песком, одеялом, сухой поваренной солью.
Если на ком-либо загорится одежда, то необходимо его повалить на пол, накрыть одеялом, либо тушить водой из душа. Пользоваться углекислотным или пенным огнетушителем в этом случае запрещается.
7. Методы выделения, очистки и идентификации органических соединений
Исходные вещества и продукты органических реакций обычно содержат примеси. Поэтому их, как правило, подвергают очистке. Методы очистки за висят от физических и химических свойств веществ, подвергаемых разделе нию.
Задачей этого цикла лабораторных работ является освоение общих, т.е. ставших уже классическими приемов, применяемых при очистке веществ в простейших случаях.
В лаборатории органического синтеза приходится иметь дело с разделе нием суспензий, смесей твердых веществ, выделением веществ из растворов.
Для разделения и очистки твердых смесей используются: кристаллиза ция, различные виды перегонки, возгонка, распределительная и адсорбцион ная хроматография.
Для разделения жидких смесей и очистки жидкостей применяют раз личные виды перегонки. По условиям проведения различают три вида пере гонки: при атмосферном давлении, при уменьшенном давлении (перегонка в вакууме) и с водяным паром.
Часто выделяемое вещество жидкое или твердое, растворенное в жидком веществе, например, в воде, экстрагируют подходящим растворителем, не смешивающимся с водой, встряхивая их в делительной воронке. После от стаивания разделяют слои и путем выпаривания или отгонки растворителя получают нужное вещество.
Чистоту органических веществ устанавливают определением физиче ских констант: температуры плавления, температуры кипения, плотности, по казателя преломления.
Студенты должны научиться ясно и точно описывать проведенные ими опыты. Для этого по каждой работе, выполненной в лаборатории, они состав ляют отчет, который заносится в рабочий журнал. Отчет о проделанной рабо те должен включать:
краткую формулировку цели лабораторной работы;
сжатое изложение последовательности проведения эксперимента. Детальные описания стандартных методик, например, перегонки, кристаллизации и др. обычно не требуются. Однако необходимо отмечать все сведения о любых введенных изменениях;
количество взятых и выделенных веществ, их температуры кипения, плавления, плотность, коэффициент преломления, а также литературные данные для сравнения;
выводы;
подпись лаборанта о выполнении работы;
подпись преподавателя о зачете.
Лабораторная работа №1
Кристаллизация
Кристаллизация является наиболее общим методом очистки твердых органических веществ. Для перекристаллизации твердых веществ подбирают растворитель (или смесь растворителей), в котором основное вещество легко растворяется при нагревании и почти не растворяется на холоду. Смысл опе рации состоит в том, что примеси, как и основное вещество, растворяются в горячем растворителе, но при охлаждении они останутся в растворе, а основ ное вещество закристаллизуется. Примеси на холоду не выкристаллизовыва ются, потому что они присутствуют в малой концентрации и раствор не будет пересыщенным относительно примесей. Таким образом, чистое основное ве щество можно отфильтровать, примеси останутся в фильтрате, который назы вается также маточным раствором. При более быстрой кристаллизации, т.е. быстром охлаждении нагретого раствора, выпадают более чистые мелкие кри сталлы, при медленной - крупные. Мелкие кристаллы содержат меньше включений внутри кристалла. Но, с другой стороны, имея большую, чем крупные кристаллы общую поверхность, мелкие кристаллы иногда адсорби руют из раствора значительные количества примесей.
Если нужно разделить два и более вещества, содержащиеся в смеси в сравнимых количествах, применяют фракционную (дробную) перекристалли зацию.
Перекристаллизацию проводят следующим образом:
1. Растворяют неочищенное вещество в горячем растворителе. Для этого вещество помещают в колбу, снабженную обратным холодильником (если растворителем служит вода, то обратный холодильник не нужен). Затем вливают растворитель в количестве меньшем, чем требуется для полного растворения, и нагревают смесь до кипения. Через обратный холодильник осторожно добавляют такое количество растворителя, чтобы при кипячении все вещество полностью растворилось. Чтобы избежать перегрева жидкости и толчков при кипении раствора, в колбу перед нагреванием вносят " кипелки" (кусочки пористого материала). Нагревание ведут на водяной бане, за исключением использования высококипящих растворителей.
Если вещество содержит окрашенные примеси, то для обесцвечивания раствора добавляют активированный уголь в количестве 1-2% от массы очи щаемого вещества. Перед внесением активированного угля нужно раствор не сколько охладить, поскольку при внесении угля в кипящий раствор может произойти сильное вспенивание и выброс жидкости. Смесь кипятят в течение нескольких минут.
Выбор растворителя
Решающее значение при очистке вещества кристаллизацией имеет выбор наиболее подходящего растворителя. При выборе растворителя необходимо учитывать химические свойства очищаемого вещества - оно не должно взаимодействовать с растворителем.
Вещества с неполярными и малополярными молекулами лучше раство ряются в неполярных растворителях. Наоборот, вещества, молекулы которых полярны, лучше растворимы в полярных растворителях, т.е. при выборе рас творителя часто пользуются принципом "подобное растворяется в подоб ном".
Как было указано ранее, для успешного проведения кристаллизации различие в растворимости вещества в холодном и горячем растворителе должно быть как можно больше. Поэтому следует, по возможности, избегать использования низкокипящих растворителей, таких как диэтиловый эфир, дихлорметан. При использовании высококипящих растворителей возникают трудности с удалением их при высушивании. При выборе растворителя не ре комендуется использовать растворители с температурой кипения выше темпе ратуры плавления очищаемого вещества. В этом случае при охлаждении ве щество выпадает, вероятнее всего, в виде масла, а не кристаллов.
Чаще всего используют растворители с температурой кипения 60-90°С: петролейный эфир (с температурой кипения 60-80°С), гексан, циклогексан, этилацетат, низшие спирты (до С3 или С4). Если соединение не растворяется ни в одном из них, тогда следует использовать более высококипящие раство рители: ледяную уксусную кислоту, пиридин, диметилформамид, диметилсульфоксид, высшие спирты.
На практике растворитель подбирают путем серии пробных кристалли заций, которые осуществляют следующим образом.
Небольшое количество очищаемого вещества (≈ 50 мг) помещают в пробирку емкостью 10 мл и, перемешивая, по каплям добавляют 0,25-0,5 мл растворителя. Нагревают пробирку на водяной бане до тех пор пока раствори тель не закипит. Если взятое количество вещества растворилось не полно стью, то добавляют небольшими порциями растворитель до общего объема ≈ 1,5 мл. Если же часть вещества все же не растворилось, то необходимо ис пользовать другой растворитель. При получении прозрачного раствора дают ему остыть. Если через несколько минут не наблюдают появления кристаллов, необходимо добавить "затравочный" кристаллик или потереть стенку пробирки стеклянной палочкой. В подходящем растворителе выход кристаллов должен быть хорошим. Повторяют описанный выше процесс с несколькими рас творителями и выбирают тот, который дает наибольший выход кристаллов.
В некоторых случаях может оказаться так, что ни один растворитель не подойдет. В этом случае используют смесь двух растворителей, в одном из которых вещество растворяется легко, а в другом умеренно. Оба этих раство рителя должны хорошо смешиваться друг с другом и иметь, по возможности, близкие температуры кипения. Очищаемое вещество суспендируют в неболь шом количестве "плохого" растворителя и нагревают до кипения, затем по ка плям добавляют "хороший" растворитель до полного растворения.
Задание к лабораторной работе № 1
1. Перекристаллизовать бензойную или щавеле вую кислоту.
2. Определить выход чистого продукта
Ход работы. В коническую колбу* емкостью 75-100 мл помещают 1 г бензойной кислоты, 50 мл воды и нагревают до полного растворения бензой -
* Кристаллизацию в химическом стакане или другом открытом сосуде проводить не следует. Предпочтительнее использовать коническую колбу вместо круглодонной, т.к. из нее легче извлечь вещество после кристаллиза ции.
ной кислоты. В случае если в растворе присутствуют нерастворимые приме си, необходимо отфильтровать горячий раствор через нагретую воронку для горячего фильтрования.
Раствор делят на две части. Одну часть быстро охлаждают, погружая сосуд в холодную воду; при этом бензойная кислота выпадает в виде мелких кристаллов. Другую часть горячего раствора оставляют медленно охлаждать ся на воздухе. В этом случае бензойная кислота выделится в виде крупных пластинчатых кристаллов.
Перекристаллизацию щавелевой кислоты можно провести в пробирке. Для этого 2 г кислоты растворяют при нагревании в 5 мл воды. Горячий рас твор быстро фильтруют через складчатый фильтр и делят на две части, охла ждают с разной скоростью как и в случае с бензойной кислотой. Щавелевая кислота кристаллизуется в виде иголочек, размер кристаллов зависит от ско рости охлаждения.
Полученные кристаллы бензойной или щавелевой кислот отфильтровы вают через воронку Бюхнера или воронку Шотта в слабом вакууме (используя водоструйный насос). Выполняют это следующим образом: фильтровальную воронку соединяют с фильтровальной колбой Бунзена посредством шлифа или резиновой пробки. Можно соединить фильтровальную воронку с кониче ской или круглодонной колбой через переходник с боковым отводом. Дно во ронки покрывают фильтровальной бумагой так, чтобы она не загибалась у края воронки. Слегка смачивают фильтровальную бумагу чистым растворите лем. Затем подают слабый вакуум. Выливают фильтруемую смесь в воронку. Когда фильтрование закончится, необходимо промыть осадок порцией холод ного растворителя. Для этого убирают подсос, добавляют растворитель, осто рожно перемешивают и подключают слабый вакуум. Далее осадок переносят на фильтровальную бумагу, сушат. Затем взвешивают и определяют выход чистого вещества и температуру его плавления.
Лабораторная работа №2
Определение температуры плавления
Любое соединение имеет узкий интервал температуры перехода из твердого состояния в жидкое, который называют температурой плавления (Тпл). Для чистых веществ этот интервал обычно не превышает 1-2°С. Небольшие количества примесей (даже примесь более высокоплавкого вещества) вызывают заметное понижение (депрессию) температуры плавления и увеличивают температурный интервал плавления.
На зависимости температуры плавления вещества от его чистоты основан важный прием проверки идентичности исследуемого вещества с тем или иным известным соединением, имеющим близкую температуру плавления. Готовят так называемую «смешанную пробу». Для этого тщательно измельчают примерно равные количества исследуемого и известного вещества и определяют температуру плавления смеси. Если Тпл смеси фактически та же, что и у каждого из двух веществ, то, вероятнее всего, что они представляют собой одно и то же вещество; если же Тпл смеси ниже, то, вероятнее всего, что это разные органические соединения.
Вещество, температуру плавления которого необходимо определить, помещают в капилляр – стеклянную трубочку с внутренним диаметром 0,8-1,0 мм, запаянную с одного конца. Для этого небольшое количество вещества тонко измельчают на часовом стекле, затем погружают в него открытый конец капилляра, чтобы получилась небольшая «пробка». Осторожно постукивая запаянный конец капилляра по твердой поверхности, вещество смещают к концу капилляра. Вещество можно сместить к запаянному концу капилляра, бросая его в стеклянную трубку длиной 50-60 см.
Можно также, держа капилляр вертикально и открытым концом вверх, легко провести по его краю напильником или ребристым краем монеты. Капилляр плотно наполняют веществом на 2-3 мм и прикрепляют резиновым колечком к термометру так, чтобы столбик вещества находился на уровне шарика термометра. Термометр вставляют в прибор для определения температуры плавления, изображенный на рис.2.
Если температура плавления вещества не известна, то сначала проводят грубое определение, используя быстрое нагревание.
После того как установлено примерное значение температуры плавления, проводят второе определение. Для этого дают прибору остыть на 30°С, вставляют новый образец и температуру быстро поднимают до значения примерно на 5°С ниже приблизительной температуры плавления, найденной при первом определении. Дальнейший подъем температуры осуществляют медленнее – не более, чем на 1°С в минуту.
Фиксируют температуру, начиная с появления жидкости до полного исчезновения твердого вещества.
Рис. 2. Нагревательный блок прибора для определения температуры плавления
Задание к лабораторной работе №2
1. Необходимо определить Тпл соединений, перекристаллизованных в работе №1, и сравнить ее с Тпл неочищенных продуктов.
2. Определить Тпл бензойной кислоты, Тпл β-нафтола и Тпл их смеси.
3. Проанализировать полученные результаты.
Лабораторная работа №3
Возгонка (сублимация)
Возгонкой или сублимацией называют процесс, при котором кристаллическое вещество, нагретое ниже его температуры плавления, переходит в парообразное состояние (минуя жидкое), а затем оседает на холодной поверхности в виде кристаллов.
При атмосферном давлении при температурах ниже Тпл могут возгоняться только органические соединения с относительно высоким давлением паров. Их немного, подавляющее большинство соединений сублимируются только при пониженном давлении.
Возгонка - превосходный метод очистки веществ в тех случаях, когда загрязнения обладают иной летучестью, чем само соединение (соединения со сходной летучестью будут возгоняться вместе) и заменяет длительную и тру доемкую кристаллизацию. Возгонку легко провести даже с очень небольшими количествами вещества при минимальных потерях. Этот метод особенно удобен для очистки хинонов, многоядерных углеводородов, веществ, образующих сольваты или гидраты.
Простейшее устройство для возгонки при атмосферном давлении - низ кий стакан без носика с тонким слоем предназначенного для сублимации ве щества на дне. Стакан закрывают круглодонной колбой, через которую проте кает вода. При высоких температурах возгонки вода в колбе может быть и не проточной.
Возгонку можно вести и в фарфоровой чашке, закрытой широким кон цом воронки, диаметр которой несколько меньше диаметра чашки (рис.3а).
Узкий конец воронки неплотно закрывают ватой. Для того, чтобы сублимат не попал обратно в чашку, ее закрывают листом фильтровальной бумаги с отверстиями в нем. Вещество, подвергаемое возгонке, должно быть мелко измельчено.
Уже небольшое перегревание может способствовать быстрому термиче скому разложению возгоняемого вещества.
Этой опасности можно избежать, проводя возгонку в вакууме. Для соз дания вакуума используют водоструйные, масляные насосы. Прибор для воз гонки в вакууме изображен на рис.3б. Возгоняемое вещество помещают на дно пробирки, в которую вставлен пальчиковый холодильник. Расстояние ме жду дном сублиматора и концом холодильника должно быть небольшим, но достаточным, чтобы возогнанное вещество не загрязнялось при разбрызгива нии твердого вещества.
Рис. 3. Приспособление для возгонки (а), прибор для вакуум-возгонки (б):1 - стакан со шлифом; 2- колпак с пальчиковым холодильником, 3 - трубка для ввода воды; 4 -патрубок для вывода воды; 5 -патрубок для присоединения к вакуум-насосу; 6 -возгоняемое вещество
Обычно оно составляет около 1 см. После вакуумирования сублиматор погружают в масляную баню и постепенно нагревают до тех пор пока на по верхности холодильника не образуется пленка возогнанного вещества. По за вершении возгонки сначала отключают вакуум и вынимают холодильник. Во зогнанное вещество соскребают на часовое стекло.
Задание к лабораторной работе №3
1.Провести возгонку бензойной кислоты.
2.Определить Тпл возогнанного вещества и сравнить ее с Тпл неочищенной бензойной кислоты.
Лабораторная работа №4
Простая перегонка
Наиболее распространенным способом разделения и очистки жидких органических соединений является перегонка. Известно, что любое жидкое вещество кипит при той температуре, при которой давление его паров равно атмосферному давлению. При разделении смеси жидких соединений состав пара отличается от состава жидкой смеси, а именно: в нем всегда выше со держание вещества с большим давлением пара. Охлаждая отходящие пары веществ, последовательно собирают фракции жидкостей, содержащих разде ляемые индивидуальные вещества. Очевидно, что разделение веществ пере гонкой происходит тем эффективнее, чем больше различаются парциальные давления паров разделяемых веществ.
Смеси веществ, у которых состав паров не отличается от состава жидко сти, разделить перегонкой невозможно. Такие нераздельно кипящие жидкости называют азеотропными смесями. В этих случаях компоненты смеси отделя ют, используя другие физические или химические методы. Примером азеотропной смеси может служить смесь, содержащая 95,5% этанола и 4,5% во ды. Независимо от соотношения спирта и воды в исходной смеси будет пере гоняться смесь этих веществ указанного выше состава, поскольку эта смесь имеет наибольшее давление пара по сравнению с чистым этанолом или водой. Для удаления 4,5% воды из спирта, его выдерживают над безводной серно кислой медью или кипятят с оксидом кальция.
Для перегонки жидких органических соединений объемом до 100 мл используют грушевидные, а свыше 100 мл - круглодонные колбы, которые за полняют не более, чем на 2/3 объема. Различные виды перегонных колб пред ставлены на рис.4.
а б в г
Рис.4. Перегонные колбы: а - грушевидная, б - Кляйзена, в - Кляйзена с колонкой Вигре; г - Арбузова.
Для обеспечения равномерного кипения в перегонную колбу помещают "кипелки", которые представляют собой небольшие кусочки пористых материалов: кирпича, пемзы, обожженного неглазурованного фар фора. "Кипелки" следует вносить только в холодную жидкость, в противном случае из-за внезапного и бурного парообразования может произойти выброс жидкости из колбы. Если перегонку требуется прервать, а затем вновь возоб новить, то в колбу вносят новые "кипелки". Перегонную колбу при помощи насадки Вюрца присоединяют к холодильнику. Выбор холодильника зависит от температуры кипения перегоняемой жидкости. Для перегонки жидкостей с температурой кипения до 50°С используют холодильник Дэвиса с двойной поверхностью охлаждения, с температурой кипения от 50 до 150°С - холо дильник Либиха, а свыше 150 °С можно использовать воздушный холодиль ник (рис.5).
Подачу воды в холодильник осуществляют противотоком парам, т.е. во ду подают в нижний отвод холодильника, а отводят через верхний. Скорость подачи воды в холодильник регулируют до включения нагрева. Необходимо регулярно проверять, чтобы не прекращалась подача воды в рубашку холо дильника. Отключение воды может привести к пожарам и взрывам.
Рис. 5. Холодильники
Холодильник с приемной колбой соединяют переходником, называе мым алонжем (рис.6а). Алонж обязательно должен сообщаться с атмосферой. В случаях, когда ведут перегонку органических соединений для которых кон такт с влагой нежелателен, к отводному отверстию алонжа присоединяют осушительную трубку (рис.6б).
Перегонную колбу помещают в нагревательную баню. Это обеспечивает равномерность нагрева и позволяет избежать перегрева. В качестве теплоно сителя могут быть использованы воздух, вода, сплав Вуда и др. Выбор тепло носителя определяется природой перегоняемых соединений. Водяные бани используют для перегонки органических жидкостей с температурой кипения до 80°С. Категорически запрещается использовать водяные бани при нагрева нии колб, содержащих металлический натрий, калий. Для перегонки жидко стей с температурой кипения свыше 80°С используют масляные бани, содер жащие нефтяные или силиконовые масла, а свыше 250 и до 350°С - баню из сплава Вуда.
Рис. 6. Перегонка при атмосферном давлении
Следует иметь в виду, что высококипящие жидкости безопаснее перегонять при пониженном давлении (в вакууме). Масляные бани должны быть нагреты более чем на 50°С ниже температуры вспышки масла. Поэтому необходимо следить за температурой бани, она должна быть примерно на 30°С выше температуры кипения перегоняемых жидкостей. Для контроля за температурой в баню всегда вводят термометр. Баню следует нагревать медленно. Лучшее разделение органических жидкостей достигается при перегонке со скоростью ≈ 10 капель в минуту. Категорически запрещается перегонять досуха, так как некоторые органические соединения (простые углеводороды, эфиры) при хранении самопроизвольно образуют перекисные соединения, которые при нагревании могут привести к взрыву. Такие растворители не следует перегонять до тех пор, пока тест на перекисные соединения не покажет их отсутствие. Перегонку заканчивают, когда в перегонной колбе остается примерно 10% первоначально взятого объема жидкости.
Задание к лабораторной работе № 4
1. Перегнать при атмосферном давлении 50 мл ацетона. Организовать выполнение данной работы с учетом того, что ацетон огнеопасен, а с воздухом образует взрывоопасную смесь.
2. Определить выход ацетона в граммах и в процентах от взятого количества.
3. Сопоставить физические константы перегнанного ацетона с литературными данными.
Лабораторная работа №5
Перегонка в вакууме
Известно, что температура кипения зависит от давления, а именно, в ва кууме температура кипения ниже, чем при атмосферном давлении. Например, вещества, кипящие с разложением при 350°С и 760 мм.рт. ст., можно пере гнать при 100-130°С и 0,01 мм.рт.ст., при 40-50°С и 0,0001 мм.рт.ст. В неко торых случаях снижение давления при перегонке сопровождается увеличени ем относительной летучести и тем самым улучшением разделения веществ. Наконец, перегонкой в вакууме иногда удается предотвратить образование азеотропных смесей. Разработаны номограммы, связывающие температуры кипения различных органических веществ с величиной давления.
Для создания вакуума используют водоструйные (рис.7) или масляные насосы. При хорошем напоре воды водоструйные насосы создают вакуум в 10-20 мм.рт.ст., вакуум в 0,05-0,1 мм.рт.ст. достигается с помощью масляных вакуум-насосов.
Рис. 6. Водоструйные насосы: а - Шотта; б- Ветцеля.
В отношении аппаратуры и методики процесса вакуумная перегонка не сколько отличается от перегонки при атмосферном давлении (рис.8). Чаще всего применяют колбы с насадкой Кляйзена, имеющие круглую, а при мень ших размерах аппаратуры - грушевидную форму. В прямое горло вставляют тонко вытянутый капилляр, в боковое горло - термометр, шарик которого должен находиться чуть ниже отводной трубки. Боковое горло колбы Кляйзе на препятствует перебрасыванию перегоняемой жидкости в приемник.
Рис. 8. Перегонка при пониженном давлении
При вакуумной перегонке объем перегоняемой жидкости не должен превышать половины объема колбы. В системе, находящейся под вакуумом "кипелки" не работают, поэтому для обеспечения равномерного кипения в колбу опускают тонко вытянутый капилляр, который должен на 2-3 см не до ходить до дна колбы. В зависимости от природы перегоняемой жидкости в капилляр пропускают воздух или инертный газ (азот, аргон). Капилляры про пускают в вакууме постепенный поток мелких пузырьков воздуха или инерт ного газа, чем обеспечивается непрерывное перемешивание перегоняемой жидкости и равномерность кипения.
Чтобы отбирать фракции, не отключая вакуума, пользуются различными специальными устройствами. К наиболее простым из них относится так назы ваемый "паук" - модификация алонжа, позволяющая простым поворотом сме нить приемник, в который собирают дистиллят (рис.9).
Рис. 9. Типы алонжей
Между водоструйным насосом и прибором, который находится под ва куумом, устанавливают промежуточную емкость, предохраняющую прибор от попадания в нее воды при падении давления воды в водопроводе. Чаше всего для этих целей используют склянку Вульфа (рис.10). Для измерения давления около 1-200 мм.рт.ст. в вакуумную линию включают ртутный вакуумметр Беннерта (рис.11). Желательно открывать кран вакуумметра только для сня тия показаний.
к насосу
Рис. 10. Склянка Вульфа Рис.11. Вакуумметр
При перегонке в высоком вакууме все составные части перегонного прибора должны быть тщательно смазаны вакуумной смазкой. Нагрев бани при вакуумной перегонке включают только после достижения необходимого давления. По окончании перегонки выключают плитку, дают перегонному прибору остыть и с помощью крана вакуумированную систему изолируют от насоса. Далее снимают вакуум в приборе и закрывают водяной кран (если пользовались водоструйным насосом) и отключают насос (если использовали масляный насос). Внезапный впуск воздуха в нагретый прибор может привести к взрыву смеси паров перегоняемого вещества с воздухом.
Задание к лабораторной работе № 5
1. Провести вакуумную перегонку 30 мл толуола из смеси его с 10 мл подсолнечного масла.
2. Рассчитать выход толуола в граммах и в процентах от взятого количества.
3. Записать все свои наблюдения и объяснить их.
Лабораторная работа №6
Экстракция
Экстракцию используют для выделения вещества из сложной смеси в результате того, что данное вещество растворяется в растворителе, а другие присутствующие вещества - нет. Экстракцию проводят в делительной ворон ке, представляющей собой цилиндрический или грушевидный толстостенный сосуд с краном внизу и пришлифованной пробкой сверху (рис.12). Размер ее подбирают таким образом, чтобы он был заполнен не более чем на 2/3 объема.
б
б
Рис. 12. Делительные воронки: а - цилиндрическая; б - коническая
В делительную воронку, содержащую раствор смеси веществ, наливают требуемое по методике количество растворителя, затем закрывают воронку пробкой и встряхивают. При встряхивании вещество переходит из одного слоя в другой в зависимости от его относительной растворимости в каждом из них. Слишком энергично встряхивать не рекомендуется, так как может обра зоваться эмульсия, которую трудно разрушить. Время от времени при пере вернутой воронке открывают кран, чтобы стравить давление, возникающее при использовании летучих растворителей. По окончании встряхивания во ронку укрепляют в штативе и дожидаются полного расслаивания, т.е. до образования четкой границы раздела фаз. Далее нижний слой отделяют от верхнего, сливая через кран в разные колбы. При необходимости экстракцию повторяют несколько раз. Порции экстракта объединяют для дальнейшей обработки. Выделяемое органическое соединение может быть в верхнем слое или в нижнем слое в зависимости от соотношения плотностей.
Задание к лабораторной работе № 6
Необходимо провести экстракцию уксусной кислоты из водного раство ра бутилацетатом.
Ход работы
1.Титрованием 0,1 н NaOH в присутствии фенолфталеина определите исходную концентрацию уксусной кислоты в водном растворе (С0).
2.В делительную воронку налейте равные объемы бутилацетата и раствора уксусной кислоты и встряхивайте в течение 15 минут.
3.Отделите водную фазу и титруйте на наличие уксусной кислоты (X).
4.Определите концентрацию уксусной кислоты, перешедшей в бутилацетат:
Y = C0 -X
5.Рассчитайте коэффициент распределения (D) и степень извлечения (E):
D = Y/X,
Е = Y/C0 ·100%.
Лабораторная работа №7
Определение показателя преломления (рефрактометрия)
Рефрактометрия является одним из самых простых физических методов анализа с затратой минимального количества анализируемого вещества и проводится за очень короткое время. Этот метод применяется для идентификации веществ, установления их чистоты, определения концентрации растворов.
Метод рефрактометрии основан на измерении показателя преломления света n анализируемым веществом. Показателем преломления называется отношение скорости распространения света в воздухе к скорости распространения света в исследуемом веществе. Величина показателя преломления зависит от природы вещества, температуры, длины световой волны, при которой проводят определение. В растворах показатель преломления зависит также от концентрации растворенного вещества и природы растворителя.
Различная скорость распространения луча света в средах с различной плотностью вызывает изменение его направления при переходе из одной среды в другую, т.е. рефракцию. Отношение скорости распространения света в воздухе v1 к скорости распространения света в веществе v2, равное отношению синусов угла падения луча света α и угла его преломления β, называется показателем (коэффициентом) преломления n и является величиной, постоянной для данной длины волны:
При прохождении луча света из среды с меньшим значением n в среду с большим показателем преломления (рис.13а) β < α. Если угол падения α луча С (рис.13б) приближается к 900, то β < 900. При дальнейшем увеличении угла падения (луч D) падающий свет полностью отражается от границы раздела и не попадает в менее плотную среду, происходит полное внутреннее отражение. Справа (при наблюдении против светового потока) от предельного луча D' находится затемненное поле, слева – освещенное поле.
Рис.13. Преломление луча света при переходе из одной среды в другую:
а – преломление луча света при прохождении из менее плотной среды 1 в более плотную среду 2; б – преломление луча света при углах падения, приближающихся к 900; предельный луч D - D' (полное внутреннее отражение).
Определение показателя преломления производят с помощью специального прибора, называемого рефрактометром. На практике применяются рефрактометры различных систем: лабораторный – РЛ, универсальный – РЛУ, RL – 2, «Карат - МТ» и др.
Устройство рефрактометра основано на явлении полного внутреннего отражения луча света на границе двух сред (одна – стеклянная призма, другая – анализируемый раствор) или на положении предельного луча на границе светотени (рис.14).
Рис. 14. Схема рефрактометра РЛ – 2:
1 – свет от источника; 2 – зеркало; 3 – осветительная призма; 4 – измерительная призма; 5 – компенсатор; 6- объектив; 7 – призма; 8 – пластинка с визирными штрихами и шкалой показателей преломления; 9 – окуляр.
Свет от источника 1 попадает на зеркало 2 и, отражаясь, проходит в верхнюю осветительную призму 3, затем в нижнюю измерительную призму 4, изготовленную из специального стекла с высоким показателем преломления. Между гипотенузными поверхностями призм 3 и 4 капилляром помещают 1–2 капли анализируемой жидкости. Чтобы избежать механических повреждений призмы, капилляр не должен касаться ее поверхности.
Поверхность призмы 4 служит границей раздела, на которой происходит преломление луча света. Вследствие рассеивания лучей граница светотени получается радужной, расплывчатой; компенсатор дисперсии 5 устраняет это явление. Далее свет проходит через объектив 6 и призму 7. На пластинке 8 нанесены визирные штрихи (две крестообразно пересеченные прямые линии) и шкала показателей преломления, наблюдаемая в окуляре 9. По шкале отсчитывают показатель преломления с тремя знаками после запятой, четвертый знак оценивают на глаз.
В окуляре 9 видно поле с перекрещивающимися линиями для установления границы раздела. Передвижением окуляра совмещают точку перекрестия с границей раздела полей (рис.15).
Рис. 15. Поле зрения в окуляре рефрактометра:
слева – шкала показаний преломления; справа – шкала процентного содержания сухих веществ; между призмами находится дистиллированная вода.
Положение границы раздела полей соответствует углу полного внутреннего отражения и зависит от показателя преломления анализируемой жидкости.
Лабораторный рефрактометр РЛ – 2 (рис. 16) имеет две шкалы – показателей преломления (от 1,33 до 1,54) и содержания сухих веществ, выраженного в % (мас.) сахарозы, - от 0 до 95% (мас.).
Показатель преломления обычно измеряют при температуре (20 ± 0,3)ºС и длине волны линии D спектра натрия (589,3 нм). Показатель преломления, определенный при таких условиях, обозначается индексом nD20.
Показатель преломления дистиллированной воды n10=1,33299, практически этот же показатель принимается в качестве отсчетного как n0 = 1,333.
Рис.16. Рефрактометр РЛ – 2:
1 – основание; 2 – колонка; 3 – корпус; 4 – дисперсионный лимб для устранения спектральной окраски светотени; 5 – отражательное зеркало; 6 – камера измерительной призмы; 7 – шарнир, соединяющий призмы; 8 – осветительная призма; 9 – термометр; 10 – отверстие для регулирования шкалы рефрактометра; 11 – шкала для отсчета; 12 – рукоятка; 13 – окуляр
Порядок работы:
1. Проверка чистоты соприкасающихся поверхностей призм (до начала измерений).
2. Проверка нулевой точки. На поверхность измерительной призмы нанести 2–3 капли дистиллированной воды, осторожно закрыть осветительной призмой. Открыть осветительное оконце и установить в направлении наибольшей интенсивности источника света с помощью зеркала. Путем вращения винтов получить в поле зрения окуляра резкое, четкое разграничение светлого и темного полей. Вращая винт, навести линию света и тени точно до совпадения с точкой пересечения линии в верхнем оконце окуляра. Вертикальная линия в нижнем оконце окуляра указывает результат измерения – показатель преломления воды при 20°С – 1,333. В случае других показаний показатель преломления устанавливают винтом на 1,333, а при помощи ключа (регулировочный винт снять) приводят границу света и тени к точке пересечения линий.
3. Определение коэффициента преломления. После установки прибора на нулевую точку приподнимают камеру осветительной призмы и фильтровальной бумагой или марлевой салфеткой снимают воду. Затем наносят 1-2 капли исследуемого раствора на плоскость измерительной призмы, камеру закрывают. Вращают винты до совпадения границы света и тени с точкой пересечений линий. По шкале в нижнем оконце окуляра производят отсчет коэффициента преломления раствора.
4. Взаимосвязь между концентрацией двухкомпонентного раствора и покателем преломления устанавливают по градуировочному графику. Для построения графика готовят стандартные растворы из препарата химически чистого вещества, измеряют показатели преломления 3–4 раза, вычисляют среднеарифметическое и откладывают полученную величину на оси ординат, на оси абсцисс – концентрацию растворов. Такой график часто представляет собой практически прямую линию. Измерив показатель преломления анализируемого раствора, по графику находят его концентрацию.
5. Окончание работы на рефрактометре. После каждого определения необходимо обе камеры промыть водой и вытереть досуха фильтровальной бумагой или салфеткой, между камерами заложить прокладку из тонкого слоя ваты.
Преломляющие свойства вещества, обусловленные строением его молекулы, характеризуются молекулярной рефракцией Rм и описываются уравнением Лоренца – Лорентца:
где М – молярная масса вещества, г/моль;
d – плотность х 103 кг/м3.
Молекулярная рефракция не зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. Для химических соединений она представляет собой аддитивную величину, что применяется при установлении состава и строения органических веществ. Молекулярную рефракцию вычисляют как сумму атомных рефракций и инкрементов кратных связей (табл.1). С другой стороны, измеряют показатель преломления и плотность идентифицируемого вещества при 20ºС. Эти величины, а также молярную массу вещества вводят в уравнение. В обоих случаях должна получаться практически одинаковая молекулярная рефракция.
Таблица 1
Атомные рефракции некоторых химических элементы и инкрементов кратных связей (200С, λ = 589 нм)
|
Элемент |
Атомная рефракция |
Элемент |
Атомная рефракция |
|
Углерод |
2,418 |
Бром |
6,865 |
|
Водород |
1,100 |
Иод |
13,91 |
|
Кислород в группах: - ОН - О - >C = О |
1,525 1,643 2,211 |
Азот в первичных алифатических аминах |
2,322 |
|
Инкременты кратных связей: >C = C< - С ≡ С - |
1,733 2,389 |
||
|
Хлор |
5,967 |
Вычисление молекулярной рефракции рассмотрим на примере хлорбензола, молекула которого содержит 6 атомов углерода, 5 атомов водорода, 1 атом хлора, а также в ней имеются 3 двойные связи, поэтому:
Rм = 6×2,418 + 5×1,100 + 1×5,967 + 3×1,733 = 31, 2.
Экспериментально находят, что показатель преломления анализируемой жидкости равен 1,5248. Плотность хлорбензола 1,107×103 кг/м3, молярная масса 112,56 г/моль. Эти величины вводим в формулу и получаем:
Небольшое различие двух значений Rм (31,2 – 30,9 = 0,3) свидетельствуют о том, что анализируемая жидкость действительно представляет собой хлорбензол. Существенные расхождения между значениями Rм, найденными двумя способами, могут обусловливаться экспериментальными погрешностями, значительным загрязнением анализируемого вещества, а также тем, что препарат не является хлорбензолом.
Меры предосторожности при работе
Быстрее всего в приборе выходят из строя призмы, поэтому необходимо соблюдать следующие меры предосторожности при обращении с ними.
1. Перед определением показателя преломления призмы тщательно очищают от грязи и пыли.
2. Не измеряют показатели преломления кислот и щелочей, так как они разъедают поверхность призм.
3. После проведения измерений протирают поверхность призм чистой мягкой салфеткой, смоченной водой или спиртом, вытирают насухо и закладывают между призмами небольшую сухую чистую салфетку или вату.
4. Категорически запрещается: а) вращать винт, окрашенный красной краской;
б) оставлять на продолжительное время между призмами исследуемую жидкость, так как поверхность призм после этого покрывается тонким матовым слоем и измерение показателя преломления становится невозможным.
Задание к лабораторной работе№7
1. Определить показатели преломления органических растворителей и сравнить с известными значениями n20D. Проанализировать полученные результаты.
Органические растворители n20D
Этанол 1,3613
Хлороформ 1,4467
Толуол 1,4992
Иодистый метил 1,5207
Анилин 1,5863
1 – Бромнафталин 1,6582
2. Построить калибровочный график зависимости показателей преломления от концентрации этилового спирта в воде.
3.Определить концентрацию выданного преподавателем раствора этилового спирта в воде.
4.Экспериментально определить и вычислить молекулярную рефракцию этанола. Проанализировать полученные результаты.
Лабораторная работа №8
Хроматографические методы разделения и анализа органических веществ
Хроматография является эффективным методом анализа, разделения, очистки органических соединений. Метод был открыт М.С. Цветом в 1903 году.
Хроматография основана на различной способности компонентов смеси распределяться между двумя несмешивающимися фазами: подвижной и неподвижной. При перемещении смеси веществ (А и В) потоком инертного газа или жидкости (подвижная фаза) вдоль оси сорбента (неподвижная фаза) соединения различной природы перемещаются с различными скоростями (рис.17). Чем больше сродство вещества к неподвижной фазе и меньше к подвижной (компонент А), тем меньше скорость его движения с подвижной фазой. И наоборот, чем меньше сродство органического вещества к неподвижной фазе и больше к подвижной (компонент В), тем выше скорость его движения с подвижной фазой. При достаточной длине слоя сорбента эти различия в скоростях движения приводят к образованию в подвижной фазе отдельных зон каждого компонента смеси.
( Смесь А и В)
Рис. 17. Схема хроматографического разделения смеси веществ
Очевидно, что чем больше разница в сорбционной способности разделяемых веществ к подвижной и неподвижной фазам, тем больше разница в скоростях их перемещения по неподвижной фазе и тем полнее их разделение.
Классификация хроматографических методов
В основе хроматографического разделения лежат различные механизмы, как правило, дополняющие друг друга.
По доминирующему механизму могут быть выделены следующие виды хроматографии:
По цели проведения различают следующие виды хроматографии:
По характеру подвижной и неподвижной фаз основные разновидности хроматографии приведены в таблице 2.
Таблица 2
Разновидности хроматографии
|
Подвижная фаза (элюент) |
Неподвижная фаза |
Название хроматографического метода |
Аппаратурное оформление |
|
Газ |
Жидкость |
Газо-жидкостная |
Колоночная |
|
Твердый адсорбент |
Газо-адсорбционная |
Колоночная |
|
|
Жидкость |
Жидкость |
Жидкостно-жидкостная (распределительная) |
Бумажная Тонкослойная Колоночная |
|
Твердый адсорбент |
Жидкостно-адсорбционная |
Тонкослойная Колоночная |
|
|
Ионообменная смола |
Ионообменная |
Колоночная |
|
|
Гели, молекулярные сита |
Гель-фильтрация, ситовая |
Колоночная |
По технике эксперимента хроматография может быть колоночной (разновидность – капиллярная хроматография) и плоскостной (тонкослойной и бумажной).
В газовой хроматографии подвижной фазой является газ, а неподвижной фазой – твердый адсорбент или нелетучая жидкость, нанесенная на твердый носитель. Неподвижная фаза находится в колонке. В случае капиллярной колонки роль неподвижной фазы выполняют ее стенки. Газовую хроматографию применяют для разделения летучих термически устойчивых веществ с молекулярной массой до 500. Она имеет огромное значение как для качественного, так и количественного анализа и благодаря высокой чувствительности позволяет обнаруживать микрограммовые количества соединений (до 10-6 г).
Для проведения газовой хроматографии используют хроматограф (рис. 18). Анализируемая смесь вводится в испаритель, и оттуда с помощью газа-носителя попадает в колонку с неподвижной фазой, помещенную в термостат. Различные компоненты смеси перемещаются газом-носителем вдоль колонки с разными скоростями из-за разного сродства их к неподвижной фазе. Поэтому разделяемые вещества выходят из колонки в разное время и по отдельности регистрируются детектором, который передает сигнал самописцу. В результате получается хроматограмма, представляющая собой несколько пиков, число которых зависит от числа присутствующих в смеси веществ, а площадь каждого пика пропорциональна содержанию соответствующего вещества.
Анализируемая
смесь
Рис. 18. Газо-жидкостная хроматография
На рис. 19. показана хроматограмма трехкомпонентной смеси.
время удерживания
Рис. 19. Хроматограмма трехкомпонентной смеси, полученная на газовом хроматографе.
Идентификация веществ (Х1;Х2;Х3) проводится по времени удерживания (соответственно Т1; Т2 и Т3), которое сравнивают со временем удерживания эталона при его хроматографировании на данной колонке при аналогичных условиях. Определение количественного состава смеси выполняют, анализируя площадь полученных пиков для всех веществ, а относительное содержание каждого компонента равно отношению площади пика этого компонента Si к сумме площадей пиков всех компонентов смеси: ci=Si/Si.
В жидкостной хроматографии (табл. 2) подвижной фазой служит жидкость, а неподвижной фазой является твердый адсорбент или тонкий слой жидкости, нанесенной на твердый носитель или содержащийся в нем.
В тонкослойной хроматографии (ТСХ) в качестве твердой фазы используют силикагель (n SiO2 * m H2O), оксид алюминия (Al2O3), целлюлозу или другие полимеры, нанесенные тонким слоем на пластинки из стекла, иногда пластмассы или толстой алюминиевой фольги.
Чтобы нанести на хроматографическую пластинку исследуемый продукт, его растворяют и полученный раствор набирают в капиллярную трубку. Осторожным прикосновением капиллярной трубки к сорбенту раствор наносят на хроматографическую пластинку. На одну пластинку можно нанести несколько проб при условии, что расстояние между ними будет не менее 2 см. Содержание веществ в пробе должно быть в пределах от 0,5 до 50 мкг. Место нанесения проб в зависимости от размера пластинки должно быть на расстоянии 1 см от нижнего края на больших (5х20 см) пластинках и около 5 мм – на маленьких.
После нанесения на слой сорбента исследуемого вещества или смеси веществ пластинку помещают в камеру с элюентом, причем стартовая линия не должна соприкасаться с элюентом, после чего камеру герметично закрывают (рис.20).
Рис. 20. Тонкослойная хроматография
Выбор элюента определяется природой хроматографируемого вещества и характером сорбента. По увеличению элюирующей способности растворители могут быть расположены в следующий ряд: н-гексан; гептан; циклогексан; четыреххлористый углерод; бензол; хлороформ; диэтиловый эфир; этилацетат; пиридин; ацетон; этанол; метанол; вода.
Если вещество обладает слабым сродством к сорбентам, то в этом случае используют наиболее активный сорбент и наиболее слабый элюент. При хроматографировании хорошо адсорбирующихся веществ применяются мало активные сорбенты и сильные элюенты. Классы органических соединений по увеличению их способности к адсорбции могут быть расположены в следующий ряд: алканы; алкены; алкадиены; ароматические углеводороды; простые эфиры; сложные эфиры; кетоны; амины; амиды; спирты одноатомные; спирты двухатомные; кислоты.
Вместе с подвижной фазой по неподвижной фазе перемещаются нанесенные вещества, причем с разной скоростью, зависящей от их сорбционных свойств. Когда фронт подвижной фазы поднимется к верхнему краю пластинки, ее вынимают из камеры, отмечают положение фронта растворителя и высушивают. Если анализируемые вещества не окрашены, то хроматограмму проявляют. С этой целью хроматограммы опрыскивают растворами реагентов, образующих с исследуемыми веществами окрашенные продукты. Для этой цели может быть использована концентрированная серная кислота,под влиянием которой на хроматограмме в местах нахождения органических веществ образуются темные пятна.
Если исследуемое вещество поглощает в УФ-области, то для приготовления хроматографических пластинок используют адсорбент, содержащий флуоресцирующее вещество. Хроматограммы, полученные на таких пластинках, рассматривают в УФ-свете.
Для идентификации веществ используются соответствующие соединения – свидетели, а также значение фактора относительного удерживания (Rf), представляющего собой отношение расстояния, пройденного веществом от линии старта к расстоянию, пройденному подвижной фазой от линии старта до линии фронта (рис.21):
Rf(x)=h(x)/h()
фронт подвижной фазы
h(x) – расстояние от линии старта до центра пятна вещества
линия старта
Рис. 21. Схема распределения смеси веществ на пластинке с тонким слоем сорбента:1, 2, - индивидуальные вещества; 3 – смеси вещества 1 и 2
Поскольку значение Rf значительной степени зависит от качества сорбента, чистоты растворителя, температуры, насыщенности камеры и других факторов, для большей достоверности результата анализа применяют «свидетели» - стандартные растворы аналогичных веществ смеси, которые наносят на линию старта пластинки параллельно с пробой анализируемой смеси веществ. При одинаковом значении Rf исследуемых веществ смеси и «свидетелей» идентификация считается положительной.
Применяя «свидетели» (известной концентрации), можно визуально сравнивать интенсивность окраски пятен веществ исследуемой смеси с интенсивностью окраски пятен «свидетелей» и таким образом ориентировочно судить о количественном содержании ингредиентов анализируемой смеси.
Наряду с тонкослойной хроматографией широко используется бумажная хроматография, которая по технике исполнения близка к ТСХ. В бумажной хроматографии неподвижной фазой является вода, входящая в состав бумаги или органическая жидкость, которой бумага пропитана. Для бумажной хроматографии используют специальные сорта фильтровальной бумаги.
Колоночная хроматография широко используется для количественного разделения смесей. Хроматографическая колонка представляет собой стеклянную трубку, снабженную на выходе краном (рис.22а). В верхнюю часть колонки с сорбентом вносят анализируемую смесь и через слой сорбента медленно пропускают подвижную фазу. Этот процесс называют элюированием. Из-за разных сорбционных свойств каждый компонент смеси имеет свое время удерживания, т.е. время прохождения через колонку. Последовательные порции элюата собирают в отдельные емкости, испаряют подвижную фазу, и получается чистый компонент (рис.22б, в).
Рис. 22. Колоночная хроматография
Тонкослойная хроматография
Опыт 1. Идентификация аминокислот методом хроматографии на бумаге
На полоску хроматографической бумаги размером 10х50 мм нанесите 2 пробы – испытуемого образца и контрольной смеси, содержащей фенилаланин, аланин и лизин, значения Rf которых в используемом элюенте соответственно равны 0,64; 0,35 и 0,15. В хроматографическую камеру («пенициллиновую» склянку) налейте высотой не более 3 мм смесь бутанол - уксусная кислота - вода (1:1:1) и проведите хроматографирование. По достижении элюентом верхнего края достаньте бумагу пинцетом, высушите на воздухе, а затем над плиткой. Для обнаружения пятен погрузите бумагу на 1 с в 0,1%-й раствор нингидрина в ацетоне, высушите бумагу на воздухе и нагрейте над плиткой. Аминокислоты обнаруживаются в виде вишнево-фиолетовых пятен.
Вычислите значения Rf и определите, какая аминокислота содержалась в анализируемом растворе.
Опыт 2. Идентификация углеводов методом ТСХ
На пластинку «Силуфол» размером 10х50 мм нанесите 2 пробы – испытуемого образца и контрольной смеси, содержащей L-рамнозу, D-глюкозу и лактозу, Rf которых соответственно 0,56; 0,37; 0,19. В хроматографическую камеру («пенициллиновую» склянку) налейте высотой не более 5 мм элюент, которым служит смесь хлороформ – метанол (1:1), и проведите хроматографирование. Пластинку достаньте пинцетом и высушите на воздухе. Для обнаружения пятен поместите пластинку на плитку с закрытой спиралью, включенную на мощность ~800 Вт. Углеводы проявляются через несколько минут в виде коричневых пятен. Если пластинка начинает буреть (вследствие перегрева), немедленно снимите ее пинцетом с плитки. Вычислите значения Rf и определите, какое вещество содержится в анализируемом растворе.
Опыт 3. Хроматография продуктов гидролиза крахмала
На пластинку «Силуфол» наносите простым карандашом пять точек на расстоянии от нижнего края и 15 мм друг от друга. В эти точки из капиллярной пипетки нанесите поочередно по 5 капель кислотного гидролизата крахмала и 10%-ных растворов глюкозы, сахарозы и мальтозы, аккуратно подсушите пластинку после каждой капли над слабо нагретой электроплиткой. Диаметр пятна не должен превышать 5 мм. В хроматографическую камеру прилейте подвижную фазу (пропанол-2 : конц. уксусная кислота : вода = 9 : 3 : 3) в таком количестве, чтобы высота ее слоя была ниже нанесенного пятна пробы. Поместите в камеру подготовленную пластинку, с наклоном в лицевую сторону и выдержите до поднятия фронта растворителя на 10 см (15-20 мин). Пластинку выньте из камеры, аккуратно подсушите над электроплиткой, держа пластинку в горизонтальном состоянии. Затем обработайте из пульверизатора щелочным раствором перманганата калия (1г KMnO4 и 2г Na2CO3 растворяют в 100 мл воды) или быстро и легко протрите тампоном, смоченным этим раствором. Высушите не перегревая при 100ºС. Сахара дают желтые пятна на пурпурном фоне, затем они превращаются в серые на коричневом фоне.
Обработка результатов эксперимента
Измерьте параметры:
|
Вещество |
Параметр Rf = X/Y |
|
Глюкоза |
|
|
Сахароза |
|
|
Мальтоза |
|
|
Кислотный гидролизат крахмала:
|
|
|
Ферментативный гидролизат крахмала:
|
Сформулируйте выводы.
Запишите, какие вещества образовались при кислотном и ферментативном гидролизе крахмала.
Препаративное хроматографическое разделение на колонках смеси красителей
Для хроматографического разделения смеси веществ на оксиде алюминия применяют стеклянные колонки диаметром 8-10 мм и длиной 25-30 см. Перед опытом колонку тщательно моют, сушат, помещают в нижнюю часть тампон из стеклянной ваты и закрепляют в штативе так, чтобы под нею мог поместиться приемник – коническая колба на 25-50 мл.
Оксид алюминия для заполнения колонки имеет марку «для хроматографии». Степень ее активности не должна быть ниже III. Оксид алюминия помещают в коническую колбу и взмучивают в растворителе, который применяется при последующем разделении конкретных веществ. Полученную суспензию оксида алюминия вливают небольшими порциями в закрепленную в штативе колонку, непрерывно постукивая ее куском вакуумного шланга для обеспечения равномерного оседания адсорбента. Когда наполнение колонки окончено, с верхней части ее стенок смывают тем же растворителем оставшийся на них оксид алюминия. Верхний слой адсорбента должен быть достаточно плотным и ровным, иначе движущийся фронт веществ при разделении будет сильно искажен.
Когда оксид алюминия окончательно осядет, в верхнюю часть колонки (на 0,5 см выше поверхности оксида алюминия) помещают второй тампон из стеклянной ваты. Растворитель должен вытекать из колонки со скоростью 30-40 капель в минуту.
Когда уровень растворителя в колонке опустится до верхнего тампона из стеклянной ваты, в колонку вливают заранее приготовленный раствор смеси разделяемых веществ. Следует помнить, что во время работы оксид алюминия всегда должен быть покрыт растворителем.
Опыт 1. Разделение смеси флуоресцеина и метиленового синего
В колонку d=1 см помещают описанным выше влажным способом наполнения 15 г оксида алюминия, суспендированного в 10 мл этанола. Когда уровень спирта достигнет верхнего тампона, в колонку сразу заливают раствор 20 мг смеси флуоресцеина и метиленового синего (в отношении приблизительно 1:1) в 10 мл этанола. По мере прохождения раствора по колонке появляется полоса метиленового синего, которая спустя некоторое время полностью отделяется от зеленовато-желтого слоя флуоресцеина. Когда уровень спирта достигнет верхнего тампона, в колонку добавляют этанол порциями по 2-3 мл до тех пор, пока весь метиленовый синий не пройдет из колонки в приемник. После этого приемник заменяют и в колонку начинают добавлять порциями по 2-5 мл воду до тех пор, пока во второй приемник полностью не пройдет флуоресцеин. Полученные растворы выпаривают, взвешивают выделившиеся красители и определяют соотношение их в исходной смеси, а также общий выход.
Опыт 2. Разделение смеси метилового оранжевого и метиленового синего
Проводится по описанной выше методике. Для разделения берут раствор 10 мг метилового оранжевого и 30 мг метиленового синего в 15 мл этанола. Метиленовый синий вымывают этанолом, а метиловый оранжевый – водой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.Воскресенский П.И. Техника лабораторных работ. М.: Химия, 1973.
2.Аверина А.В. и др. Лабораторный практикум по органической химии. М.: Высшая школа, 1971.
3.Агрономов А.Е. и др. Лабораторные работы в органическом практикуме. М.: Химия, 1974.
4.Гинзбург О.Ф. Лабораторные работы по органической химии. М.: Высшая школа, 1982.
5.Шарп Дж. и др. Практикум по органической химии / Пер. с англ. В.А. Павлова. М.: Мир, 1993.
6.Беккер Г. и др. Органикум / Пер. с нем. В.М. Потапова, СВ. Пономарева. Т. 1.М.: Мир, 1979.
7.Алейникова Т.Л. и др. Биохимия. Руководство к практическим занятиям по биологической химии. М.: Высшая школа, 1988.
8.Слесарев В.И. Химия: Основы химии живого. СПб: Химиздат, 2007.
9.Краузер Б., Фримантл М. Химия. Лабораторный практикум: Уч. пос.: Пер. с англ. – М.; 1995.
Составители: ГАДЕЛЕВА Халима Касимовна
ЗАЙНУЛЛИН Радик Анварович
КУНАКОВА Райхана Валиулловна
МЕТОДЫ ВЫДЕЛЕНИЯ, ОЧИСТКИ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Методические указания по выполнению
лабораторных работ по дисциплине
"Органическая химия и основы биохимии"
для студентов института техники и технологии сервиса
Подписано к печати 2009. Формат 60 х 84 1/16
Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ. л.
Усл. кр.-отт. Уч.- изд. л. Тираж 100 экз.
PAGE 5